Creo que no se presta suficiente atención al tema del que vamos a hablar en este artículo. De hecho, debido a la moda de los SUV y las llantas enormes, los sistemas de suspensión se están complicando de una forma excesiva porque las masas no suspendidas son cada vez mayores en todos los coches.
Siempre que se habla de reducir el ‘peso’ de un coche, pensamos en desproveer al habitáculo de todo lo imprescindible o sustituir piezas de la carrocería por equivalentes en materiales mucho más ligeros, olvidándonos de las piezas más importantes que, con menor masa, van a conseguir que la suspensión trabaje sensiblemente mejor adaptándose con muchísima más facilidad a las irregularidades del asfalto.
En el mundo del automovilismo, se denomina masas no suspendidas a las masas de los componentes que se apoyan directamente en el suelo sin la interposición de los elementos elásticos de las suspensiones. En la imagen inferior, serían las ruedas, frenos y el eje que une todo.
Hay gente que dice que las masas no suspendidas equivalen a cuatro veces las masas suspendidas, y que por ello reducir 1 kg de masas no suspendidas tiene un efecto similar a reducir 4 kg de masas suspendidas. Bobadas, 1kg es 1kg lo quites de donde lo quites, pero sí es cierto que el efecto en el comportamiento del coche que se puede conseguir reduciendo la masa de llantas o frenos es muy superior al que se puede conseguir instalando una batería ligera o un capó de fibra de carbono. ¿Por qué?
Las ruedas son la única parte del coche en contacto con el asfalto, y son ellas las encargadas de recorrer y adaptarse a cada irregularidad manteniéndose tan pegadas al suelo como sea posible. El problema surge cuando llegamos a un bache; aquí la rueda sigue la carretera hasta el punto más alto y tras éste la inercia hace que la rueda tienda a seguir su movimiento ascendente. El muelle de la suspensión es el encargado de bajar la rueda para que toque el suelo, mediante la fuerza que ejerce para estirarse y llegar a su estado de reposo.
Cuanto mayor sea la masa de las ruedas, mayor será la fuerza que tiene que ejercer el muelle para empujar la rueda hacia el suelo. Esto implica que el muelle tendrá que ser más firme, lo que afecta negativamente al confort de los ocupantes.
Nota: En el intento de solucionar este problema, que no existiría si el
tamaño de llantas y neumáticos fuese el adecuado, los coches modernos
equipan carísimas y poco fiables soluciones como suspensiones adaptativas
o estabilizadoras activas.
Si la masa no suspendida es muy grande, el muelle será incapaz de mantener a la rueda pegada al suelo, y esta flotará. ¡Pues vaya!, ahora nuestra rueda no está tocando el suelo y hemos perdido todo el agarre.
Vamos a ilustrar el problema con dos ejemplos. El Porsche 904 monta llantas de magnesio de 15″ con neumáticos de 165mm de grosor. El conjunto pesa alrededor de los 10kg. Por contra un BMW X5 con pack M monta (para sus escasos 170cv) llantas de aluminio de 20″ con neumáticos de 305mm de grosor, con un peso de alrededor de los 35kg. (Para simplificar el cálculo obviamos la masa de las pinzas de freno, discos, manguetas y elementos de suspensión; mucho mayores también en el X5).
Supongamos que ambos circulan a 60km/h y encuentran un bache (una pequeña rampa a 45º) que hace que la velocidad vertical de la rueda sea de 60km/h (16.6m/s). Vamos a suponer también que la rueda se desplaza verticalmente una distancia de 0.1m.
Necesitamos dos fórmulas muy sencillas:
La energía cinética se calcula como:
Ec= ½ masa * velocidad²
El trabajo se calcula como:
Trabajo = Fuerza * distancia
Y aplicando estas fórmulas obtenemos los siguientes resultados:
Para el Porsche 904:
Ec = ½*10Kg*(16.6m/s)² = 1377'800J
1377'8J = F * 0'1m; F=13788N
Para el BMW X5:
Ec = ½*35Kg*(16.6m/s)² = 4822'300J
4822'3J = F * 0'1m; F=48223N
Quizá sea más gráfico si lo traducimos a kilogramos fuerza. De forma aproximada, el Porsche 904 tendrá que hacer una fuerza descendente de algo menos de 1.5 toneladas, mientras que el BMW casi 5 toneladas de fuerza.
Podemos pensar entonces que una masa muy grande en la carrocería empujando a esas ruedas hacia abajo hará que se mantengan pegadas al suelo. ¡Que no! Con eso sólo conseguiremos que todo el trabajo lo tengan que realizar las suspensiones.
-¡Ya está! Unas suspensiones extremadamente rígidas son la solución.
-Si tienes el más mínimo aprecio a tus riñones, te aseguro que no.
La solución es reducir en la medida de lo posible la masa de los neumáticos, llantas, discos de freno, pinzas y manguetas, es decir, todas las piezas del coche que no están suspendidas. De este modo la energía cinética de las ruedas será menor, poniéndoselo mucho más fácil a las suspensiones para mantener las ruedas pegadas al suelo.
Pero es que además hay otro factor de gran importancia que también se ve afectado por las masas no suspendidas. Hablamos del momento de inercia, que es la resistencia que presentan las ruedas a ser aceleradas en rotación.
Para hacer girar a una rueda hay que aplicarle un par de fuerzas, y cuanto mayor sea la inercia rotacional, más par será necesario. Además el momento de inercia no depende únicamente de la masa de la rueda, sino también de su tamaño. Otra razón para desechar esas llantas de 20″ que tanto te gustan para tu SUV.
Momento = masa * radio²
Veamos esto aplicado a nuestros ejemplos.
En el Porsche 904 las ruedas cuya masa es de 10kg, tienen unas medidas de 165/55-15, su radio es por tanto de 0’281m.
Momento de inercia = 10kg * (0'281m) ² = 0'78 Kgm²
En el BMW X5 las ruedas cuya masa es de 35kg, tienen unas medidas de 305/50-20, su radio es por tanto de 0’406m
Momento de inercia = 35kg * (0'406m) ² = 5'76 Kgm²
Estamo hablando de una fuerza más de 7 veces superior para hacer girar las ruedas del BMW. Y eso no es lo peor, dicha diferencia de fuerzas tambien es necesaria para frenarlas. Si necesitamos más fuerza para frenar, hacen falta discos de freno y pinzas de mayor tamaño, que pesan más, y cuyas masas no están suspendidas. ¡Y encima los discos de freno también tienen inercia rotacional!
Volvemos a empezar.